六、沥青路面装配式预制混凝土块基层结构类型的探源

                 沥青路面装配式预制混凝土块基层结构类型的探源

                        （2021-03-30  发表于《建筑砌块与砌块建筑》

郭高1  战宏宇1  王景鹏1  张东方1  迟文仲1   郭梓烁2

( 1.长春市市政工程设计研究院有限责任公司 长春 130033；2.哈尔滨工业大学 哈尔滨 150001）

（2021-03-30    发表于《建筑砌块与砌块建筑》）

【摘要】通过对沥青路面所采用装配式预制混凝土块基层结构类型的探索，为三维嵌挤基块铺装结构与荷载传递关系对路基工作性能的影响提供研究方法。具体是将预制混凝土块装配式基层的结构特性,与竹篾编织结构进行对比分析，结果证明：三维嵌挤基块铺装与编织面具有相同的节点结构特征、三连节点垂直互锁关系和荷载分级传递路径；研究结论是采用三维嵌挤基块铺装的装配式路面基层结构属于编织类，可称之为编块结构。该结论对借鉴编织技术拓宽和充实装配式基层的研究有积极意义。

【关键词】路面基层；混凝土块；预制装配；编织；结构

O 引言

      沥青路面装配式基层,是使用具有嵌挤[1]结构的水泥混凝土预制块,在施工现场组装、并在接缝中填充灌浆料形成的结构，其上面加铺沥青面层后即构成“白加黑”的复合式路面（见图1）。这种沥青路面装配式基层适应于市政道路、应急抢修道路、公路、港口场站道路工程。该项技术由长春市市政工程设计研究院开发，于2013年开始工程试验应用，2015年通过吉林省科技厅主持的科技成果鉴定；2020年下半年完成了CECS《沥青路面装配式基层技术规程》[2]起草工作。初步统计截止到2020年底，该项技术已经在长春市、沈阳市、吉林市和哈尔滨市应用，累计铺装道路面积达 70万平方米（块），获得工期短、强度高、质量好、环境优，可利用建筑回收材料，全寿命周期建设及维护费用低的积极效果。

      随着该项技术工程推广应用量的扩大，为更准确地归纳装配式基层结构特点及开发新块型的需要[3]，确定其结构类型，进而从结构原理的角度解释装配式基层的工作性状，就显得十分必要和急迫[4]。虽然目前尚不能通过试验数据来清楚描述这种三维嵌挤装配式基层的结构类型，但由于预制混凝土基块的原型带燕尾隼，因此其结构类型一定与现有某种结构相同、或至少是相似。基于此有必要开始关于三维嵌挤装配式基层结构类型的探索。

                 

2.装配式基层

        用于装配式基层铺装的预制素混凝土大块可简称为基块。基块的原理模型是由榫卯平面的二维嵌挤演变为三维嵌挤的结构[5]，具体改变方法是由两个燕尾榫以小端对接，旋转其中一个燕尾榫并使上下燕尾榫成90度再相贯叠合成一体，以组合后的燕尾榫上下矩形端面的四框为相贯线，填补空缺面构成的六面体结构。基块的六面体外形由平行的顶面和底面、以及四个侧斜面组成，其中顶面及底面为矩形，四个侧面由阳斜面的倒梯形、与阴斜面的正梯形相互间隔组成（见图2、图3）。当对基层施加垂直荷载时，基块以两个阳斜面作为荷载输入端，以两个阴斜面作为荷载输出端，输入端与输出端间隔分布，在平面相互呈直角（见图2d、图3）。

 

                                                    图2，基块演变图

                                                         图3，基块三视图

      基块按侧面输出端阴斜面，叠压在输入端阳斜面的规则装配铺设。观察基块的装配式接触平面，可见由矩形图案横竖交替排列组成的矩阵，在矩阵相邻行（列）之间的接缝处形成凸凹交替的形状，在矩阵行与列交叉处的四个相邻基块之间有方形孔。

      矩阵行与列的断面图中，基块均以正梯形和倒梯形间隔排列。因此，同一个基块在A-A断面是倒梯形与两侧基块的阴斜面接触；B-B断面则是正梯形与两侧基块的阳斜面接触（见图4断面图中心的一个基块）。在图4的断面图中，任意一个基块与两侧基块组成三连块榫卯嵌挤关系，行与列方向的三联块在平面相互交叉呈直角。位于交叉点的基块，在垂直面由基块的阳斜面和阴斜面，形成相反的嵌挤关系，而构成垂直方向的互锁效应（见图4）。由于基块的铺装面结构在垂直方向具有对称性，即使翻转铺装面，基块之间的嵌挤关系不发生改变。

 

                                          1）侧面基块的嵌挤力；2）嵌挤合力

                                                图4  基块矩阵平面及断面图                              

       当来自路面的垂直荷载作用在矩阵面的某基块顶面时，产生的压应力除传导向下至路基上外，部分应力还会从受荷基块的两个阴斜面（输出端），扩散传递到两侧相邻基块的阳斜面（输入端）；并分别经受荷基块的两个阴斜面再次分散输出。路面压应力可利用基块斜面传递，每传递一次分为一级，各级传递路径的方向相差90度。在图5中，用字母A、B、C、D、E表示各级传递顺序，箭头代表传递方向。每一级传递过程中，基块都由一个输入路径，分离出2个输出路径；应力传递路径图形如“T”字，其中“T”字笔画的“竖”是输入路径，向左右延伸的“横”是两个输出路径，每个输出路径都沿各自所处方形孔的边缘环绕形成一个个闭合环路。基块按侧面输出端阴斜面叠压输入端阳斜面的规则装配，由于一个基块有两个对称分布的阴斜面，因此应力沿着方形孔形成的闭合环绕路径，在矩阵图中呈现出顺时针与逆时针交替分布样式（见图4）。应力传递路径具有分级扩散和闭合环绕两个特征：分级扩散使应力最终达到每个基块，覆盖基层全面积；闭合环绕能使基块之间建立起应变的协调关系。

        基块的受力结构特征，是输入与输出端在侧面间隔分布。基块的铺装特征，是以基块阴斜面与阳斜面相互叠压装配成平面，在铺装面相邻的两行与两列交叉处形成多个方形口。基块铺装面的荷载传递特征，是荷载以“T”形路径分级扩散覆盖基层全面积，并在方形口周围形成闭合环绕路径。基块铺装的断面特征，是任意三个相连的基块组成榫卯嵌挤关系，在行与列三连块交叉点的基块构成垂直互锁关系。装配式路基的整体结构特征，是具有垂直面及平面对称性，基块铺装面需要在四周封边固定。

         为探索装配式基层的结构类型，以三维嵌挤基块铺装的各项结构特性作为筛选条件，将连锁混凝土路面砖路面结构[6]和竹篾编织结构，纳入对比目录。连锁路面砖路面结构是在砂垫层上铺装块体、并在接缝内嵌入砂粒；由于路面砖侧面均为垂直面，其荷载传递方式依靠路面砖受荷后所发生的微小转动、挤压，使接缝嵌砂粒传递应力给四周的路面砖[7]。因此，连锁路面砖路面结构形式，并不能完全满足筛选条件，可以判定连锁路面砖路面结构与本文介绍的装配式基层，并不属于相同类型的受力结构形式。

       我们发现：生活中最常见的竹篾编织，其受力方式与基块铺装，在平面特征与传荷路径方面有相似之处，因此做以下具体分析。

3.竹篾编织与装配式基层的对比

      编织结构最基础的技法是经纬法“十字”平编，竹编工艺大体可分为起底、编织、锁口三道工序。在编织过程中，竹丝篾条采用挑压交织，被挑压的蔑称为“经”，而编织的蔑为“纬”。中间留有空隙，可编织成“井”字纹理，生成一个个紧致的方形孔[8]。

          

                      a)竹篾编织平面篾条叠压关系图              b)编织面荷载传递路径图 

                                               图5竹篾编织与基块铺装对比图

      将竹篾编织平面与三维嵌挤基块铺装做对比观察，可见经纬篾条相互叠压形成交叉排列的矩阵面，经纬蔑顺序叠压组成方形孔[9]；经纬交叉形成编织面的节点，在节点处经纬蔑条相互别压发生弯曲且弯曲方向相反。在图5中，若以中间节点为参照物，经向篾条的两端是荷载输入端，纬向篾条的两端是荷载的输出端，经纬篾条交叉形成节点。篾条任意三个相连的节点均构成三点别压关系，中间节点受经纬两个相反的别压构成垂直互锁关系[10]。对比显示竹篾编织面装配规则及断面三连节点结构均，符合基块铺装特征。

       编织面经纬交叉叠压形成节点，如图5所示，荷载由经篾两端输入，利用节点将荷载传递到纬蔑，再通过纬条两端输出。应力路径显示 “T”形分级扩散路径并在编织网孔处形成闭合环绕路径，由点荷载逐渐扩散到编织全面积。荷载传递路径图与基块铺装面一一对应。编织结构同样具有基块铺装所具备的垂直面及平面对称性，也需要在编织四周封边固定。

       经过对编织面节点输入与输出端位置及接触方式、编织面方形口构成、断面三连节点别压关系及荷载传递路径[11]的对比，可见基块铺装所得的三维嵌挤结构与竹篾编织具有相同的结构特点。故该种预制素混凝土基块可称之为编块。

4. 结语

    经过基块铺装面与竹篾编织面的对比获得结果如下：

1）三维嵌挤基块铺装与竹篾编织面节点的输入与输出端都有固定位置，相互交叉且间隔分布。

2）三维嵌挤基块铺装与竹篾编织面,节点均利用叠压实现荷载输入与输出端之间传递，叠压有顺序并形成方形口；

3）三维嵌挤基块铺装与竹篾编织面,均有由三连节点建立的嵌挤或互相别压的关系，平面两个方向的三连节点交叉的中间节点,因受到相反嵌挤或别压,在垂直方向构成互锁关系；

4）三维嵌挤基块铺装与竹篾编织面的传荷路径,均按“T”形分级传递、逐渐由点荷载扩散到全面积，并在方形口周围形成有方向的闭合环绕路径；

   综上所述，三维嵌挤基块铺装结构属于编织类型，可称之为编块结构。对装配式基层结构类型的探索，可进一步理解块体结构与荷载传递的关系及对工作性能影响，有利于推动装配式基层的研究和发展。

参考文献

[1]郭高,徐俭,赵健淳.嵌挤组装式混凝土砌块道路基层的结构外形及嵌挤度[J].市政技术,2014,32(02):34-36.

[2]T/CECS769-2020：沥青路面装配式基层技术规程[S].北京，中国计划出版社，2020.

[3] 莫品疆. 混凝土预制块体路面在农村公路中的应用研究 [D]重庆交通大学，2014,6,5

[4]王火明. 混凝土预制块路面力学行为及结构设计方法研究[D]重庆交通大学，2014,3,15

[5]郭高,战宏宇.三维嵌挤装配混凝土预制块在道路工程的应用 [J].建筑砌块与砌块建筑,2019,1:9-14.

[6]陈智杰.预制装配式水泥混凝土路面应用技术研究[J].公路交通科技（应用技术版）,2017,(4):63-65.

[7] 蒋帅,陈明,肖杰, 等.装配式基层道路结构接缝荷载应力分析[J].公路工程.2019.6（03）：241-245

[8]马毓蔓. 马陆篾竹编织工艺及传承研究[D].北京理工大学,2016.

[9]刘文思. 民间传统竹编包装设计研究[D].湖北工业大学,2020.

[10]黄蔚欣,张登文.编织结构——自由形态网壳建造[J].建筑技艺,2018,(8):42-43.

[11]孙建诚.沥青混凝土路面装配式基层连接方式力学特性[J].兰州理工大学学报,2020,2(01):140-143.